具有高电压隔离的变压器制造技术

高电压隔离变压器使用：巴伦芯，用于从第一电路向输出电路传送交流信号，高电压发生器，例如Ｃｏｃｋｃｒｏｆｔ－Ｗａｌｔｏｎ倍增器，以第一电路与输出电路之间的高水平电压隔离施加高直流电压偏置。可使用多个巴伦芯变压器，以便减小各个个体变压器之间的电压上升。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及具有高电压隔离的变压器。
技术介绍
在电气变压器中，由于两个电路之间的电压差，难以将非常低电压的原方电路与 非常高电压的副方电路绝缘。某些高电压隔离变压器的另一个问题在于以可能干扰敏感电 子部件的幅度和频率产生显著的电磁波。例如，某些手持X射线荧光(XRF)光谱仪要求高 电压隔离变压器对于χ射线管的热离子阴极以大的负DC电位提供小AC信号。来自这些变 压器的电磁波能干扰由XRF光谱仪中的X射线检测器接收的χ射线信号。变压器的最优运行典型地在变压器的谐振频率处。在使用具有环形芯的变压器 的XRF分析器中，在芯的谐振频率处发射的电磁波可显著干扰χ射线检测器的运行。另外， 环形变压器的形状可导致高的电磁干扰水平(EMI)。屏蔽与电路设计常常用于减轻检测器 的电磁干扰，但用电路设计和屏蔽消除这种干扰是困难的，特别是在相对较小的手持式XRF 光谱仪中可用的小空间中。用铁磁性材料制造的环形芯可用在高电压隔离变压器中。例如，在手持式XRF光 谱仪中，变压器的原方绕组具有相对较低的电压，典型地在10伏rms AC左右。副方绕组承 载由原方绕组上的AC信号感应的交流电流。相比于原方绕组，副方绕组也具有非常大的偏 置电压，在负50000伏左右。这种偏置电压主要由高电压电源产生，该电源用于将偏置电压 施加到副方绕组。很难有效地对具有这样大的电压差的电路进行绝缘。具有环形芯的高电压隔离变压器可具有严格的设计和制造要求。为了将原方与副 方绕组的两个远远无法相比的电压隔离，厚的绝缘典型地被施加到变压器芯、导线或导线 与芯二者。使用能保持其完整性并免于破裂的绝缘，以便避免原方与副方绕组之间的电流 泄漏。如果绝缘主体在芯上，绝缘可由于芯的发热和冷却导致的热膨胀而破裂。在这些温 度波动过程中，绝缘破裂的一个原因是芯的热膨胀系数(CTE)与绝缘的CTE相比的不匹配。 产生这种匹配可能是困难的设计挑战。施加不会破裂的绝缘常常是困难的制造挑战。较厚 的绝缘在没有绝缘缺陷的情况下可能比较薄的绝缘更难制造。
技术实现思路
公开了具有高电压隔离的变压器电路。变压器电路包含第一电路，其被配置为以 低电压等级承载交流信号。第一电路通过巴伦芯(balim core)上的至少两个通孔形成圈， 从而作为变压器电路的原方绕组。输出电路通过巴伦芯上的至少两个通孔形成圈，从而作 为变压器电路的副方绕组。输出电路被电气耦合到高电压直流信号源，以便以第一电路与 输出电路之间的高电压隔离等级向交流信号提供直流偏置。多于一个的巴伦芯可串联使 用，以便允许电压的更为逐渐的增大。因此已经相当宽泛地概述了本专利技术的多个特征，使得下面对其进行的详细介绍可 更好地理解，并使对现有技术的贡献能更好地理解。本专利技术的其他特征将通过参照附图阅读下面对本专利技术的详细介绍明了或通过对本专利技术的实践获知。 附图说明图1示出了高电压隔离变压器，其中，变压器被分为两个芯；图2为用在变压器中的巴伦芯；图3示出了高电压隔离变压器，其中，变压器被分为至少三个芯；图4示出了具有一个巴伦芯的高电压隔离变压器；图5示出了高电压隔离变压器的中间电路上的高电压连接点；图6示出了被连接到变压器被分为两个芯的高电压隔离变压器的 Cockcroft-Walton 倍增器电路。具体实施例方式定义巴伦变压器芯、巴伦芯或巴伦在本申请中定义为具有至少两个通孔的变压器芯， 如图2所示的一个示例性实施例中所示出的那样，一般地用200表示。巴伦具有顶面202、 底面204、侧面203。通常，顶面与底面的形状是圆形或椭圆形的，但它们也可以是正方形、 三角形、矩形或其他形状。如图2所示，这些面的圆形或椭圆形状的好处在于其允许光滑的 侧面203和较少的边，在边上，其他部件和绝缘可能被切割，或者可能发生电晕应力。图2 所示的巴伦包含两个通孔201，其从顶面202通过巴伦延伸到底面204。巴伦可包含多于两 个的通孔。巴伦的长度L通常长于通孔直径D，以便使得电气耦合经过通孔到芯的导线的更 大的距离成为可能。通常，长度L至少为通孔直径D的两倍。巴伦芯可以以“宽带多孔巴伦 芯”的名称寻找和购买。在本申请中使用的AC与DC具有其交流与直流的一般含义。EMI为电磁干扰的缩 写，并具有对电子电路正常运行的电磁干扰的其通常定义。XRF为χ射线荧光的缩写，并为χ射线从已通过用χ射线或伽马射线轰击该材料来 激励的材料的荧光或射出物。XRF光谱仪可提供用χ射线对样本进行轰击的χ射线源，并具 有用于对由样本荧光发射出的χ射线的量和能量进行定量的检测器。XRF光谱仪可用于分 析材料是由什么元素构成的。FEP 为氟化乙丙烯(fluorinated ethylene propylene)的缩写。FEP 为一种具有 高介电强度的绝缘材料。介绍现在将参照图中所示的示例性实施例，这里将使用具体的措辞对之进行介绍。然 而，将会明了，不对本专利技术的范围进行限制。本领域技术人员在本公开的启示下想到的对这 里所示出的本专利技术的特征的变更和进一步的修改，以及这里所示出的本专利技术的原理的附加 应用，也被认为在本专利技术的范围内。对敏感电磁部件有较小干扰的高电压隔离变压器相对较为容易制造，并且是可靠 的。这可通过使用分为多个变压器芯的变压器实现，减小高电压绝缘问题。多个芯的使用 也减小各个芯上的DC压力，并减小了各个芯上的所需要的绝缘量。具有较薄绝缘的变压器 芯较为容易制造。进一步的改进使用作为变压器芯的巴伦芯或多个巴伦芯来实现。巴伦芯6与环形芯相比具有宽得多的带宽，且因此以在X射线检测器电子电路的敏感范围外的足够 高的频率受到驱动。使用巴伦芯代替环形形状或许多其他芯形状带来可靠且易于制造的设 计以及较小的EMI。巴伦芯所发射的EMI也容易屏蔽，因为此EMI与由环形芯发射的EMI相 比更有定向性。多个变压器设计中的变压器的目的可以为从一个电路向另一个电路传送 AC信号。高电压发生器可用于产生电路之间的大的偏置电压。高电压发生器，例如 Cockcroft-Walton倍增器，可在紧凑的空间中由低电压产生高电压。某些高电压发生 器，例如Cockcroft-Walton倍增器，可提供阶梯的电压上升。这种高电压发生器以外的 电路可连接在这些不同的电压阶梯的各个上，提供增大的电压的一系列高电压接入点。 Cockcroft-Walton倍增器在手持式电池运行XRF光谱仪中特别有价值，因为这种设备的有 限的空间和有限的可用电力。例如，如果偏置电压上升在两个变压器上发生，总电压上升的仅仅一半发生在各 个变压器上，因此，各个变压器上需要的绝缘厚度显著小于一个变压器需要的。各个变压器 的电压上升可通过使用Cockcroft-Walton倍增器来产生。第一变压器的原方绕组，称为第 一电路，承载低电压AC信号。第一变压器的副方绕组，称为中间电路，也为第二变压器的原 方绕组。这种中间电路附着到高电压发生器上的中间等级电压点。第二变压器的副方绕组， 称为输出电路，连接到高电压发生器上的最高电压点。输出电路向负载提供高偏置电压上 的AC信号。高DC偏置可以为大的副偏置或大的正偏置。一般地，变压器的中间绕组限制 在一匝，HV绝缘的大部分提供在这些绕组上。例如，中间绕组可用具有在直径上近似0. 1” 的厚FEP绝缘本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有高电压隔离的变压器电路，其包含：Ａ）第一电路，其被配置为承载低电压的交流信号；ｂ）巴伦芯，其具有穿过巴伦芯的至少两个通孔；ｃ）第一电路，其至少一次地穿过巴伦芯的至少两个通孔形成圈，其中，第一电路作为变压器电路的原方绕组；ｄ）输出电路，其至少一次穿过巴伦芯的所述至少两个通孔形成圈，其中，输出电路作为变压器电路的副方绕组，输出电路电气耦合到高电压直流信号源，以便以第一电路和输出电路之间的高等级电压隔离向交流信号提供直流偏置。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：MT丁斯莫尔，DJ卡鲁索，
申请(专利权)人：莫克斯泰克公司，
类型：发明
国别省市：US